陳自然，孫厚云, ，衛(wèi)曉鋒，黃行凱，李多杰，張曉敏，郭穎超

（1.北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100012；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；3.承德華勘五一四地礦測(cè)試研究有限責(zé)任公司，承德 067000）

0 引言

礦產(chǎn)資源是人類賴以生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，而在開(kāi)采礦產(chǎn)資源時(shí)將不可避免的會(huì)引起一些生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。在各類生態(tài)環(huán)境問(wèn)題中，礦產(chǎn)資源的開(kāi)采對(duì)土壤的污染問(wèn)題較明顯，同時(shí)土壤污染具有隱秘性、積累性、治理難度大等特點(diǎn)，因此加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)及周圍土壤監(jiān)控和評(píng)價(jià)是十分重要的。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦區(qū)及周圍土壤重金屬元素分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究，Ivan et al.（2018）對(duì)貝加爾湖鎢鉬礦周圍土壤進(jìn)行重金屬影響評(píng)價(jià)，結(jié)果表明在尾礦庫(kù)周圍重金屬元素Cd、Cu、As、Pb、Zn、Mo、Bi等超標(biāo)嚴(yán)重；Abraham et al.（2018）對(duì)澳大利亞維多利亞州某金礦周邊土壤中潛在有毒重金屬進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)土壤中元素As和Hg嚴(yán)重污染；Islam et al.（2015）通過(guò)對(duì)孟加拉國(guó)城市土壤有害元素進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)70%的土壤樣品中元素Ni、Cu、As、Cd、Pb超標(biāo)嚴(yán)重，表明該地區(qū)的土壤表現(xiàn)出相當(dāng)大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；周勤利等（2019）利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)寧夏賀蘭縣土壤重金屬元素分布特征進(jìn)行分析，顯示賀蘭縣的土壤環(huán)境中元素Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，其他元素存在輕微的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；吳宇靚等（2019）對(duì)西藏多不雜礦區(qū)的土壤重金屬分布特征及來(lái)源進(jìn)行分析，顯示多不雜礦區(qū)地表為堿性土壤，7種重金屬元素中，元素Cu在所有樣品中的含量均超標(biāo)嚴(yán)重，元素Zn、Cd僅有最大值超標(biāo)，元素Pb、As、Cr、Hg含量均不超標(biāo)，并且7種重金屬元素來(lái)源主要有3類：Cu、Zn、Cd、Hg源于黃銅礦的氧化淋濾，元素Pb、As源于黃鐵礦的氧化，元素Cr源于巖石的自然風(fēng)化，并且根據(jù)該地區(qū)重金屬相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題，提出了針對(duì)性的防治建議。

本文以河北省承德市隆化縣韓麻營(yíng)鎮(zhèn)黑山釩鈦磁鐵礦所在小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，研究釩鈦磁鐵礦礦山周圍土壤重金屬污染特征、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及成因分析。利用地累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法驗(yàn)證礦區(qū)周圍土壤重金屬污染程度，通過(guò)變異函數(shù)定量刻畫重金屬在空間分布特征，利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤重金屬的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)相關(guān)性分析、金屬元素主成分和聚類分析判斷重金屬來(lái)源，探討土壤中重金屬元素與釩鈦磁鐵礦礦山之間的關(guān)系，旨在為礦山周圍的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)土壤環(huán)境保護(hù)和修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省承德市隆化縣韓麻營(yíng)鎮(zhèn)境內(nèi)，地處燕山臺(tái)褶帶與內(nèi)蒙地軸的交接地帶，為一正在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中釩鈦磁鐵礦金屬礦床所在小流域。流域地形總體東南高，西北低，海拔為550～1050 m，總面積為49.5 km2，地貌類型主要為山地。研究區(qū)內(nèi)氣候主要為屬中溫帶、半濕潤(rùn)半干旱、大陸性季風(fēng)型，年平均降水量約500 mm，多集中于6—8月（薛玉敏等,2018），區(qū)內(nèi)主要出露地層為上太古界燕窩鋪組角閃斜長(zhǎng)片麻巖、白廟組黑云斜長(zhǎng)片麻巖和中元古代角閃石英二長(zhǎng)巖（江少卿等,2013）。區(qū)內(nèi)土壤類型主要以棕壤、褐土和草甸土為主，研究區(qū)內(nèi)鐵礦資源較為豐富，是我國(guó)主要的釩鈦磁鐵礦資源基地。

1.2 樣品采集與檢測(cè)

本次樣品采集主要集中在2020年的6月～9月，采集土壤表層樣品194件，采約密度為3.9個(gè)/km2，采樣點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖1，土壤樣品采集過(guò)程中利用GPS進(jìn)行定位，充分考慮土壤類型、土地利用方式，土壤采樣深度為0～20 cm，采集樣品的原始重量不低于1 kg，將樣品過(guò)20目篩后樣品重量不少于500 g。樣品采集時(shí)盡量避開(kāi)明顯點(diǎn)狀污染或表土已被破壞的干擾地段，保證了樣品的典型性和代表性。

圖1 黑山釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)地理位置（a）及采樣點(diǎn)分布圖（b）

采集的土壤樣品中測(cè)試指標(biāo)為重金屬元素為Cu、Ni、Cd、Cr、Pb、Zn、Hg、V、Ti、Mn、Mo、Co和SOM（土壤有機(jī)質(zhì)）、pH，類重金屬元素As，其中土壤樣品As含量使用氫化物發(fā)生原子熒光儀測(cè)定，SOM含量采用氧化熱解-點(diǎn)位法測(cè)定，其它重金屬含量使用ICP-OES（PE，USA）測(cè)定，樣品分析測(cè)試按規(guī)范要求加10%空白樣與平行樣控制，分析方法準(zhǔn)確度和精密度采用國(guó)家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07349）控制，各重金屬的加標(biāo)回收率均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。

1.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

本次研究土壤重金屬污染累積程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分別采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法（Nemero pollution index），地累積指數(shù)法（Igeo，Index of Geoaccumulation）和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法（RI,The Potential Ecological Risk Index）進(jìn)行（王志杰等,2019;張東和張楚兒,2015）。

（1）內(nèi)梅羅污染指數(shù)

采用單因素污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤重金屬污染程度（郭朝暉等,2017），計(jì)算公式如下：

式（1）中：Ci為土壤樣品中元素i含量的實(shí)測(cè)值；Bi為土壤中重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，采用河北省土壤重金屬基性值（孫厚云等,2019a）；Pi為重金屬i的單因子污染指數(shù)；Pmax為重金屬i的單因子污染指數(shù)最大值，P綜合為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，根據(jù)單因素污染指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果，重金屬的污染程度可分為5級(jí)（表1）。

表1 土壤重金屬污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

（2）地累積指數(shù)

地累積指數(shù)（Igeo）廣泛用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，本文采用地累積指數(shù)法分析表層土壤中12種重金屬元素污染特征，計(jì)算公式如下：

式（2）中：Igeo為地積累指數(shù)；Cn為實(shí)測(cè)重金屬元素n的濃度（mg/kg）；Bn是重金屬元素n的重金屬背景值，根據(jù)Igeo的計(jì)算結(jié)果，重金屬的污染累積程度共分為7級(jí)（表2）。

表2 地質(zhì)累積指數(shù)（Igeo）與污染程度

（3）潛在生態(tài)危害指數(shù)

本文還采用瑞典學(xué)者Hakanson于1980年提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。Hakanson指數(shù)法綜合考慮了多元素的協(xié)同作用、毒性水平、污染濃度以及環(huán)境對(duì)重金屬污染敏感性等因素，可以綜合反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境影響潛力，適合于大區(qū)域范圍沉積物和土壤的評(píng)價(jià)比較叫（Hakanson,1980;鄔光海等,2020）。計(jì)算公式為：

式（3）中：E(i)為單一重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Ti為單一重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)，各金屬的毒性系數(shù)分別為Co=Cu=Ni=Pb=5、Cr=V=2、As=10、Cd=30、Zn=Ti=Mn=1、Hg=40（徐爭(zhēng)啟等,2008）；Ci表示土壤重金屬的濃度；Co為土壤中重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，本文采用河北省土壤重金屬基性值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，各元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)E(i)之和為該地區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)。計(jì)算公式為：

根據(jù)各元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，可將土壤質(zhì)量分為輕度生態(tài)污染、中度生態(tài)污染、強(qiáng)度生態(tài)污染、很強(qiáng)生態(tài)污染及極強(qiáng)生態(tài)污染5個(gè)等級(jí)（表3）。

表3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

（4）空間及數(shù)據(jù)分析方法

本研究通過(guò)描述性統(tǒng)計(jì)方法表征土壤重金屬元素含量特征，通過(guò)相關(guān)關(guān)系矩陣，主成分與聚類分析系統(tǒng)聚類，從而來(lái)更好的確定研究區(qū)各重金屬元素來(lái)源分布情況（段續(xù)川等,2018）。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬總體分布特征

本次采集的表層土壤重金屬元素、類重金屬元素、有機(jī)質(zhì)及pH值等是以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基本依據(jù)，利用Excel、SPSS等軟件計(jì)算元素各指標(biāo)的最小值、最大值、中位數(shù)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)特征值，通過(guò)Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)，計(jì)算土壤樣品各元素檢測(cè)值變異系數(shù)和偏移峰值等參數(shù)來(lái)描述表層土壤重金屬元素的含量區(qū)間和分布規(guī)律，采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中旱地污染篩選值分土壤pH值區(qū)間評(píng)價(jià)土壤重金屬污染超標(biāo)情況，具體統(tǒng)計(jì)信息表見(jiàn)表4。根據(jù)表4顯示，土壤元素中的平均值與中位數(shù)相差不大，重金屬含量均有檢出，但偏移系數(shù)變化較大，表明土壤元素含量中心趨向分布呈現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布特征（安永龍等,2020）。通過(guò)對(duì)研究區(qū)土壤元素各指標(biāo)平均值與河北省背景值（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1990）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，土壤中元素Mn、Ti、V、Zn、Co、Cu、Mo、Cd和SOM的平均含量均高于河北省背景值；元素As、Cr、Ni、Sb、Pb的平均含量均略低于河北省背景值。研究區(qū)土壤重金屬元素變異系數(shù)均小于0.6，表明土壤重金屬元素的空間分布十分均勻。

表4 黑山釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)土壤重金屬含量分析統(tǒng)計(jì)

2.2 重金屬污染累積程度評(píng)價(jià)

2.2.1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)單項(xiàng)污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果（圖2），12種重金屬元素在研究區(qū)大部分樣點(diǎn)主要為無(wú)污染和輕度污染，只有元素Cr、Ti、V、Co、Cu、Hg少部分樣點(diǎn)顯示出重污染特性，而這些元素與釩鈦磁鐵礦礦山有很大關(guān)聯(lián)，而根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)P綜合顯示，研究區(qū)所有樣點(diǎn)幾乎全部為輕度污染樣點(diǎn)，表明研究區(qū)重金屬污染情況較好，整體處于較清潔水平。

圖2 黑山釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)不同污染級(jí)別樣點(diǎn)數(shù)占總數(shù)百分比

2.2.2 重金屬地累積程度

通過(guò)分析研究區(qū)194件樣品的12種元素地累積系數(shù)，對(duì)比各元素的地累積指數(shù)平均值（Igeo-ave）可知，研究區(qū)12種重金屬元素的總體污染累積程度由強(qiáng)至弱依次為：Ti >Cu >Co >V >Zn >Hg >Cr >Mn >Ni >Cd >As >Pb，且12種元素中除Pb和As外均有地累積指數(shù)大于2的樣品，表明研究區(qū)的土壤均已受到不同程度的污染（圖3）。重金屬元素Cr、Ti、Co已達(dá)到強(qiáng)積累水平，樣點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為1、3、1，表明Cr、Ti、Co極少數(shù)局部地區(qū)已達(dá)到重污染程度。重金屬元素Cu和Hg達(dá)到了極強(qiáng)積累水平，樣點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為1、1，表明重金屬元素Cu和Hg在極少數(shù)局部地區(qū)達(dá)到了極污染程度。

圖3 黑山釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)土壤重金屬累積程度占比

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

利用Hakanson評(píng)價(jià)方法對(duì)研究區(qū)12種重金屬元素進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，分別計(jì)算了重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（E(i)）值以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，各重金屬元素E(i)的范圍為Cr(0.56～12)、Mn(0.42～3.2)、Ni(1.4～14)、Ti(0.9～7.1)、V(0.7～9)、Zn(0.8～2.7)、Co(2.9～39)、Cu(3.6～131)、Cd(11.3～81.4)、Pb(0.6～7.1)、As(6.2～51.5)、Hg(5.9～776)，RI值的范圍為（79～873），結(jié)果表明，重金屬元素Cr、Mn、Ni、Ti、V、Zn、Co、Pb的E(i)值均小于40，雖然元素Cu、Cd、As、Hg的E(i)值有大于40的部分，但Cu的E(i)值在40～80之間的比例為2%，80～160之間的比例為0.5%；Cd 的E(i)值40～80 之間的比例為16%，80～160之間的比例為0.5%；As的E(i)值在40～80之間的比例為10%；Hg的E(i)值在40～80之間的比例為17%，80～160之間的比例為5.6%，大于320的比例為1%；RI值的范圍為(69.47～873),其中RI值小于150的比例為85.1%，在150～300之間的比例為13.9%，大于600的比例為1%，根據(jù)E(i)值、RI值的大小及各分段之間的比例來(lái)看，研究區(qū)污染程度大部分為輕度污染，少量為中度污染，極少部分為很強(qiáng)生態(tài)污染，說(shuō)明研究區(qū)土壤環(huán)境整體較好，對(duì)于極少量的中度污染區(qū)，應(yīng)該采取一定措施，改善土壤環(huán)境。

圖4 黑山釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布圖

2.4 重金屬空間分布變異特征

地統(tǒng)計(jì)學(xué)在地球化學(xué)元素空間分異特征描述中應(yīng)用廣泛，其能有效地解釋變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征，是對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法（張會(huì)瓊等,2018;孫厚云等,2020）。本次研究采用GS+9模型擬合分析得到表層土壤12種重金屬元素的半方差函數(shù)模型和相應(yīng)參數(shù)（表5）。塊金系數(shù)（Co/Still）用以度量變量的空間相關(guān)性的強(qiáng)弱程度，描述重金屬元素的空間變異結(jié)構(gòu)特征，區(qū)分重金屬來(lái)源的自然影響和人為影響。當(dāng)Co/Still≤0.25時(shí)，變量空間分布以結(jié)構(gòu)性變異為主，具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，重金屬分布與來(lái)源主要成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、地形等自然因素影響。當(dāng)0.250.75 時(shí)，變量空間分布以隨機(jī)變異為主，空間自相關(guān)性弱，重金屬來(lái)源與分布主要受人為因素影響（孫厚云等,2019a）。

根據(jù)表5可知，研究區(qū)土壤重金屬元素As、Pb、Cd、Cr、Hg、V、Ti和Co含量的變異函數(shù)理論模型符合指數(shù)模型，Zn、Ni元素的變異函數(shù)理論模型符合球狀模型，Cu元素的變異函數(shù)模型符合指數(shù)模型、Mn元素符合高斯模型。土壤Cu元素含量的半方差函數(shù)塊金系數(shù)大于0.75，空間分布結(jié)構(gòu)以隨機(jī)性變異為主，其來(lái)源受人為活動(dòng)影響較大。土壤As、Pb、Cd、Cr和Mn元素含量的半方差函數(shù)塊金系數(shù)小于0.25，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，空間變異以結(jié)構(gòu)性變異為主，主要受成土母質(zhì)高地質(zhì)背景等自然因素影響。土壤Zn、Ni、Hg、V、Ti和Co元素含量的塊金系數(shù)在0.25～0.75之間，變量具有中等程度空間自相關(guān)，元素空間變異受到自然和人為因素共同作用影響。

表5 黑山釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)土壤重金屬含量變異函數(shù)模型統(tǒng)計(jì)

決定系數(shù)（R2）表示半方差函數(shù)理論模型的擬合精度，變程（range）則用以表征在某種觀測(cè)尺度下空間自相關(guān)的作用范圍。研究區(qū)表層土壤Pb、Cd、Cr、Mn、Zn、Ni和Ti元素決定系數(shù)（R2）相對(duì)較高，變異函數(shù)模型的擬合精度較高，變程相對(duì)較小，空間自相關(guān)程度較高，主要受成土母質(zhì)高地質(zhì)背景影響。元素Hg、V和Co表現(xiàn)出較強(qiáng)的獨(dú)立性和隨機(jī)性，變程相對(duì)較大，可能與土壤Hg、V和Co元素受人為因素影響重金屬空間分布不均，主要以點(diǎn)源污染形式存在有關(guān)。

2.5 土壤重金屬來(lái)源分析

通過(guò)對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出土壤重金屬元素含量分布圖見(jiàn)圖（5），為進(jìn)一步分析研究區(qū)重金屬的可能來(lái)源，在地統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上采用相關(guān)分析，系統(tǒng)聚類分析和主成分分析相結(jié)合的方法，判斷土壤重金屬元素的相關(guān)程度，辨別重金屬污染來(lái)源（Franco-Uría et al.,2009；孫厚云等，2019b）。

圖5 黑山釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)土壤重金屬元素含量分布圖

2.5.1 土壤重金屬元素之間相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)土壤重金屬元素、SOM及pH值測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析降維，獲取各指標(biāo)相關(guān)關(guān)系矩陣見(jiàn)表6。由此可知，表層土壤元素V和Co、V和Cu呈較顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），元素Cr、Mn、Zn、Ni和Ti亦呈一定程度的正相關(guān)關(guān)系。其中表層土壤元素V和Co的相關(guān)系數(shù)為0.858，元素V和Cu相關(guān)系數(shù)為0.615，元素Cu和Co相關(guān)系數(shù)為0.823；元素Cr和Ni呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.815。元素V、Ti、Mn、Co、Ni和Cr均屬鐵族元素，在釩鈦磁鐵礦中屬共生關(guān)系，礦石及礦石圍巖成土母質(zhì)中鈦鐵礦和磁鐵礦礦物含量較高，同時(shí)伴生黃銅礦和閃鋅礦等。釩鈦磁鐵礦化學(xué)成分為 Fe、TiO2、V2O5、Co、Ni、S 和 P，磁鐵礦礦物晶體中 Fe 的類質(zhì)同像代替有Ti、V、Mn、Zn、Ni、Co、Cu等；巖石風(fēng)化成壤使得區(qū)內(nèi)土壤中元素 V、Ti、Cu、Zn 和 Mn具高地質(zhì)背景特征（江少卿等,2013;Zhang et al,2015;He et al,2016;Li et al,2019）。

表6 黑山釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)土壤重金屬含量相關(guān)關(guān)系矩陣

元素Cd、Pb、As、Sb、Zn多以硫化物金屬礦物形式存在，具有一定相關(guān)關(guān)系，其中Cd與Zn呈較顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.608；Pb和As、Pb和Sb、Pb和Cd相關(guān)系數(shù)分別為0.534、0.348和0.264；As和Sb相關(guān)系數(shù)為0.340。元素Cd是閃鋅礦的伴生元素，尤其在淺色閃鋅礦中含量較高（Chen et al,2020），故此，Cd與Zn相關(guān)關(guān)系較為顯著。Hg元素與其他元素相關(guān)關(guān)系不明顯，總體受人為影響較小。Cd、Pb、As和Sb元素含量受土壤SOM含量影響較大，SOM和Cd、SOM和Pb、SOM和As、SOM和Sb相關(guān)系數(shù)分別為0.471、0.306、0.430和0.456；土壤pH對(duì)Cd和Zn影響相對(duì)較大。土壤SOM易于與硫化物金屬礦物重金屬元素形成螯合物，pH則影響著重金屬的化學(xué)形態(tài)和生物有效性（賈鳳超等,2020）。

2.5.2 土壤重金屬元素主成分與聚類分析

對(duì)研究區(qū)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO和Bartlett檢驗(yàn)，得到的Kaiser-Meyer-Olkin度量值為0.709，Bartlett值為 1954.218，在0.05水平上顯著相關(guān)，適合主成分分析。通過(guò)主成分分析，獲取13種重金屬和pH、SOM的變量的2個(gè)主成分（圖6a），第一主成分（PC1）的方差貢獻(xiàn)率為32.09%，第二主成分（PC2）的方差貢獻(xiàn)率為20.17%，總體對(duì)樣本的解釋程度較高。主成分因子載荷和系統(tǒng)聚類樹(shù)狀圖顯示（圖6b），V、Co、Cu、Mn、Zn、Ti元素總體分為系統(tǒng)聚類第一組，Cr和Ni為第二組，Pb、As和Sb為第三組，Hg、Cd和SOM為第四組。聚類分析結(jié)果與因子分析降維指示的重金屬元素相關(guān)關(guān)系總體較為一致。

圖6 黑山釩鈦磁鐵礦礦集區(qū)重金屬含量主成分分析載荷圖（a）與聚類分析結(jié)果樹(shù)狀圖（b）

結(jié)合重金屬元素空間分布和變異特征，鐵族元素V、Ti、Mn、Co、Cr、Ni高值區(qū)主要位于礦山構(gòu)筑物尾礦庫(kù)和露天采場(chǎng)周圍，其主要來(lái)源于成土母巖風(fēng)化，與原生高地質(zhì)背景密切相關(guān)。淺層土壤元素V、Ti、Co、Ni主要來(lái)源于成土母質(zhì)自然因素影響，礦業(yè)活動(dòng)對(duì)土壤重金屬輸入存在一定影響，但影響程度相對(duì)較低。Zn、Pb、Cd和As元素來(lái)源受成土母質(zhì)自然因素和人為活動(dòng)共同影響，一方面元素Zn在區(qū)內(nèi)東側(cè)馬虎營(yíng)村有高值濃集區(qū)，與出露鉛鋅礦有關(guān)（胡金才等,2013）；一方面，Cd和Zn亦存在零星污染點(diǎn)分布。

元素As和Pb零星污染點(diǎn)主要分布于溝谷低洼處，即交通道路和居民區(qū)旁，與人為活動(dòng)和交通運(yùn)輸存在一定關(guān)系。元素Cu和Hg存在兩處高值點(diǎn)，均位于建筑用地旁，以點(diǎn)狀污染形式為主，與人為活動(dòng)密切相關(guān)。釩鈦磁鐵礦伴生黃銅礦，選礦后Cu元素釋出對(duì)土壤存在一定影響；Hg元素高值點(diǎn)對(duì)土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)程度最高，可能與交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)活動(dòng)相關(guān)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)承德市隆化縣韓麻營(yíng)鎮(zhèn)黑山釩鈦磁鐵礦礦區(qū)周圍194份土壤樣品中的重金屬元素、SOM、pH值進(jìn)行相關(guān)性分析、空間變異性分析、污染評(píng)價(jià)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，取得以下認(rèn)識(shí)：

（1）根據(jù)元素重金屬總體分布統(tǒng)計(jì)可知土壤中重金屬元素Mn、Ti、V、Zn、Co、Cu、Mo、Cd及SOM的平均含量均高于河北省背景值；重金屬元素As、Cr、Ni、Sb、Pb的平均含量均略低于河北省背景值，土壤重金屬元素的空間分布十分均勻。

（2）根據(jù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)、地積累指數(shù)可知，土壤重金屬元素中Ti、Cu、Co、Hg、Cr元素在極少數(shù)局部地區(qū)顯示出重污染特性。根據(jù)重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可知，研究區(qū)污染程度大部分為輕度污染，少量為中度污染，極少部分為很強(qiáng)生態(tài)污染，說(shuō)明研究區(qū)土壤環(huán)境整體較好，處于較清潔水平。對(duì)于少量局部地區(qū)出現(xiàn)的中度及以上污染地區(qū)，這些污染物來(lái)源主要為礦區(qū)的伴生礦床及人為生產(chǎn)活動(dòng)。根據(jù)生態(tài)需要，我們應(yīng)該控制污染物來(lái)源，加強(qiáng)監(jiān)管礦區(qū)的重金屬污染物及人為生產(chǎn)活動(dòng)中的污染物的排放；對(duì)已經(jīng)污染的地區(qū)，要改善土壤理化性質(zhì)，去除土壤中的重金屬污染物。

（3）根據(jù)土壤重金屬元素空間分布特征和來(lái)源分析可知，土壤重金屬元素高值點(diǎn)主要分布在礦區(qū)周圍和人類活動(dòng)區(qū)域，釩鈦磁鐵礦礦區(qū)及其伴生礦物和人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)重金屬元素含量分布有較大影響。